(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア信号源と、
情報信号及び前記キャリア信号を受信するように接続された変調器と、
復調器と、
前記変調器と前記復調器の間に接続された絶縁音響結合器と
を含み、
前記絶縁音響結合器は、
第１の減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）、及び第２のＤＳＢＡＲと、
前記第１のＤＳＢＡＲを前記第２のＤＳＢＡＲと直列に接続する電気回路と
を含み、
前記第１及び第２のＤＳＢＡＲの各々が、第１の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、第２のＦＢＡＲ、及び前記第１のＦＢＡＲと前記第２のＦＢＡＲの間に配置された音響減結合器を含み、
前記電気回路は、前記第１のＤＳＢＡＲを前記第２のＤＳＢＡＲと直列に接続するために、前記第１のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲを前記第２のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲと逆並列に接続する、ガルバニック・アイソレータ。
【請求項２】
前記電気回路は更に、前記第１のＤＳＢＡＲの前記第１のＦＢＡＲを前記変調器に接続し、前記第２のＤＳＢＡＲの前記第１のＦＢＡＲを前記復調器に接続する、請求項１に記載のガルバニック・アイソレータ。
【請求項３】
前記ＦＢＡＲはそれぞれ、一対の対向する電極と、それらの電極間に配置された圧電素子とを含み、
前記電気回路は、
前記第１のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲの電極のうちの第１のものと、前記第２のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲの電極のうちの第２のものとの間の第１の電気接続と、
前記第１のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲの電極のうちの第２のものと、前記第２のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲの電極のうちの第１のものとの間の第２の電気接続と
を含み、前記電極のうちの第２のものは、前記電極のうちの第１のものに比べて、前記ＤＳＢＡＲの音響減結合器に近い位置にある、請求項１又は請求項２に記載のガルバニック・アイソレータ。
【請求項４】
情報信号をガルバニック絶縁する方法であって、
第１の減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）、及び第２のＤＳＢＡＲを含む絶縁音響結合器を用意するステップと、
キャリア信号を供給するステップと、
前記キャリア信号を前記情報信号で変調し、変調電気信号を形成するステップと、
前記絶縁音響結合器を通して前記変調電気信号を音響結合するステップと、
前記絶縁音響結合器を通して音響結合された変調電気信号から前記情報信号を復元するステップと
を含み、
前記第１のＤＳＢＡＲは、前記第２のＤＳＢＡＲと直列に電気的に接続され、
前記第１及び第２のＤＳＢＡＲの各々が、第１の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）、第２のＦＢＡＲ、及び、それらのＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器を含み、
前記第１のＤＳＢＡＲを前記第２のＤＳＢＡＲと直列に接続するために、前記第１のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲは、前記第２のＤＳＢＡＲの前記第２のＦＢＡＲと逆並列に電気的に接続される、方法。
【請求項５】
前記音響結合するステップは、
前記変調電気信号を前記第１のＤＳＢＡＲの前記第１のＦＢＡＲに供給するステップと、
前記第２のＤＳＢＡＲの前記第１のＦＢＡＲから前記変調電気信号を受信するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記音響結合するステップは、
前記変調電気信号を音響信号に変換するステップと、
前記音響信号を絶縁体を通して伝送するステップと、
前記音響信号を変調電気信号に変換して戻すステップと
をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本開示は、同時に出願された次の開示に関係する：John D. Larson IIIによる「Acoustic Galvanic Isolator Incorporating Single Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator」（アジレント文書整理番号10051180-1）、John D. Larson IIIによる「Acoustic GalvanicIsolator Incorporating Single Insulated Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator With Acoustically-Resonant Electrical Insulator」（アジレント文書整理番号10051205-1）、John D. Larson III他による「Acoustic Galvanic Isolator Incorporating Film Acoustically-Coupled Transformer」（アジレント文書整理番号10051206-1）、及び、John D. Larso III他による「Acoustic Galvanic Isolator」（アジレント文書整理番号10051583-1）。これらの出願は全て本願の譲受人に譲渡され、参照により援用される。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
ガルバニック・アイソレータは、その入力から出力へと情報信号を通過させるが、入力と出力の間に導電性経路はない。導電性経路を持たないことにより、ガルバニック・アイソレータは、入力と出力の間を通る不要な電圧を防止することができる。厳密に言えば、ガルバニック・アイソレータはＤＣ電圧だけを遮断するが、一般的なガルバニック・アイソレータは、電源ラインやオーディオ周波数のようなＡＣ電圧も遮断する。ガルバニック・アイソレータの一例は、高データレートのデジタル情報信号を通過させるが、ＤＣ電圧と低周波数のＡＣ電圧を遮断するデータ結合器である。
【０００３】
データ結合器の一例は、アジレント・テクノロジーズ・インクから販売されている光アイソレータのような光アイソレータである。光アイソレータは、電気情報信号を発光ダイオード（ＬＥＤ）によって光信号に変換する。光信号は通常、エアギャップや光導波路のような非導電性の光伝達媒体の中を通過し、フォトディテクタによって受信される。フォトディテクタは、その光信号を電気信号に変換して戻す。ガルバニック絶縁（直流電流の絶縁）が可能である理由は、光信号は、金属導体がなくても、非導電性の光透過性媒体の中を通過することができるからである。
【０００４】
他のデータ結合器としては、二次コイルに磁気結合された一次コイルからなる変成器がある。一次コイルに電気情報信号を流すと、その電気情報信号は磁束に変換される。磁束は、空気、または、非導電性の透磁性材料を通過し、二次コイルに達する。二次コイルは、その磁束を電気信号に変換して戻す。変成器は、高データレートの情報信号を通過させるが、ＤＣ電圧や低周波数のＡＣ電圧の伝送は遮断する。磁束の伝達手段の抵抗値は、ＤＣ電圧や低周波数のＡＣ電圧が入力から出力へ通過することを防止できるくらい十分に大きな値を有する。場合によっては、結合コンデンサを使用して、同様のアイソレーションを行うこともある。
【０００５】
安価な光アイソレータは一般に、素子のキャパシタンスにより、また、光素子の電力限界から、約１０Ｍｂ／ｓのデータレートに制限される。変成器アプローチでは、コイルは大きなインダクタンスを有し、且つ、高データレートの情報信号の伝送する能力を有する必要がある。それらの競合する要件を調和させることは、しばしば難しい。コンデンサの使用では、導電性経路の完全な遮断はできない。なぜなら、情報信号は完全に電気的に伝送されるからである。比較的優れた解決策は、電気情報信号を他の形の信号、例えば光や磁束に変換した後、該他の形の信号を電気信号に変換して戻すことである。その結果、入力と出力の間の電気的経路を無くすことが可能になる。
【０００６】
多くのデータ伝送システムは、１００Ｍｂ／ｓの速度で動作する。１００Ｍｂ／ｓ以上の速度で動作させることが可能な、小型で安価なガルバニック・アイソレータが必要とされている。また、情報信号の周波数に近い周波数のＡＣ信号を遮断することが可能な、小型で安価なガルバニック・アイソレータも必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
第１の態様において本発明は、音響ガルバニック・アイソレータを提供する。この音響ガルバニック・アイソレータの実施形態は、キャリア信号源と、情報信号及びキャリア信号を受信するように接続された変調器と、復調器と、変調器と復調器の間に接続された絶縁音響結合器とを含む。絶縁音響結合器は、直列接続された減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ：Double Stacked Bulk Acoustic Resonator）を含む。
【０００８】
第２の態様において本発明は、情報信号のガルバニック絶縁のための方法を提供する。この方法の実施形態は、直列接続された減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）を含む絶縁音響結合器を用意するステップと、キャリア信号を供給するステップと、前記キャリア信号を情報信号で変調し、変調電気信号を生成するステップと、前記変調電気信号を前記絶縁音響結合器を通して音響結合するステップと、前記絶縁音響結合器を通して音響結合された前記変調電気信号から前記情報信号を復元するステップとを含む。
【０００９】
直列接続された減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）を含む絶縁音響結合器は、物理的に小型で、安価に製造することができ、１００Ｍｂ／ｓを超えるデータレートの情報信号を音響結合することができ、入力と出力の間の大きなＤＣ電圧またはＡＣ電圧に耐えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
詳細な説明
図１は、本発明の第１の実施形態による音響ガルバニック・アイソレータ１０を示すブロック図である。音響ガルバニック・アイソレータ１０は、その入力端子と出力端子の間で電気情報信号ＳＩを伝送し、且つ、入力端子と出力端子間を電気的に絶縁する。音響ガルバニック・アイソレータ１０は、ＤＣを絶縁するだけでなく、ＡＣも絶縁する。電気情報信号ＳＩは通常、高データレートのデジタルデータ信号であるが、この信号は、アナログ信号であってもよい。一応用形態において、電気情報信号ＳＩは、１００Ｍビット／秒のイーサネット(R)信号である。
【００１１】
図示の例において、音響ガルバニック・アイソレータ１０は、局部発振器１２、変調器１４、絶縁音響結合器１６、及び、復調器１８から構成される。図示の例において、局部発振器１２は、電気キャリア信号ＳＣの信号源である。変調器１４は、音響ガルバニック・アイソレータ１０の入力端子２２、２４から電気情報信号ＳＩを受信するように接続された入力と、局部発振器１２からキャリア信号ＳＣを受信するように接続された入力とを有する。変調器１４は、絶縁音響結合器１６の入力２６、２８に接続された出力を有する。
【００１２】
絶縁音響結合器１６は、出力３４と出力３６にバランスのとれた出力を出力する。絶縁音響結合器１６の出力３２、３４は復調器１８の入力に接続される。復調器１８の出力は、音響ガルバニック・アイソレータ１０の出力端子３６、３８に接続される。
【００１３】
絶縁音響結合器１６は、図３を参照して後で詳しく説明されるバンドパス周波数応答を有する。局部発振器１２は、絶縁音響結合器１６の通過帯域の中心の公称周波数を有するキャリア信号ＳＣを生成する。音響ガルバニック・アイソレータ１０の一実施形態において、絶縁音響結合器１６の通過帯域の中心周波数は１．９ＧＨｚであり、局部発振器１２は１．９ＧＨｚのキャリア信号ＳＣを生成する。局部発振器１２は、そのキャリア信号ＳＣを変調器１４のキャリア信号入力に供給する。
【００１４】
変調器１４は、入力端子２２、２４から電気情報信号ＳＩを受信し、キャリア信号ＳＣをその電気情報信号ＳＩで変調し、変調電気信号ＳＭを生成する。通常、変調電気信号ＳＭは、電気情報信号ＳＩに従って変調されたキャリア信号ＳＣである。任意の適当な変調方式を使用することができる。キャリア信号が電気情報信号ＳＩによって振幅変調され、電気情報信号ＳＩが、０と１にそれぞれ対応する低信号レベル及び高信号レベルを有するデジタル信号である例の場合、変調電気信号ＳＭは、電気情報信号の０と１にそれぞれ対応する小さな振幅及び大きな振幅を有する。
【００１５】
図２及び図４〜図４Ｃを参照して後で詳しく説明されるように、絶縁音響結合器１６は、その入力２６、２８から入力された変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に音響結合し、電気出力信号ＳＯを復調器１８の入力に供給する。電気出力信号ＳＯは、変調電気信号ＳＭに類似している。すなわち、電気出力信号ＳＯは、キャリア信号ＳＣと同じ周波数を有し、変調電気信号ＳＭと同じ変調方式を有し、電気情報信号ＳＩと同じ情報内容を有する変調電気信号である。復調器１８は、電気出力信号ＳＯを復調し、復元電気情報信号ＳＲとして電気情報信号ＳＩを復元する。復元電気情報信号ＳＲは、復調器１８から出力端子３６、３８に出力される。
【００１６】
復調器１８は、電気出力信号ＳＯから電気情報信号ＳＩを復元するための、当該技術分野において既知の検出器（図示せず）を含む。例えば、この検出器は、電気出力信号ＳＯを整流し、積分し、電気情報信号ＳＩを復元する。電気情報信号ＳＩがデジタル信号である用途を想定する実施形態では通常、復調器１８は、検出器の後ろにクロックおよびデータ復元回路（ＣＤＲ）を更に有する。ＣＤＲ回路は、電気出力信号ＳＯから復元された生の電気情報信号の波形を整形し、復元電気情報信号ＳＲを生成する。復調器１８は、その復元電気情報信号ＳＲを音響ガルバニック・アイソレータ１０の出力端子３６、３８に供給する。
【００１７】
局部発振器１２として使用するのに適した回路、並びに、音響ガルバニック・アイソレータ１０の変調器１４及び復調器１８は、当該技術分野で既知のものである。したがって、局部発振器１２、変調器１４、及び、復調器１８について詳しい説明はしない。
【００１８】
図１に示す実施形態において、局部発振器１２は、音響ガルバニック・アイソレータ１０の一部として描かれている。他の実施形態では、音響ガルバニック・アイソレータ１０は、局部発振器の代わりにキャリア信号入力端子（図示せず）を有し、音響ガルバニック・アイソレータ１０はそのキャリア信号入力端子を介して外部のキャリア信号発生器からキャリア信号ＳＣを受信する場合がある。そうした実施形態の場合、キャリア信号入力端子は、音響ガルバニック・アイソレータのキャリア信号源として機能する。
【００１９】
次に、音響ガルバニック・アイソレータ１０において絶縁音響結合器１６として使用することが可能な、本発明の実施形態による音響結合器について説明する。図３を参照して後で詳しく説明するように、これらの実施形態は全て、バンドパス周波数応答を有する。音響結合器の通過帯域は、中心周波数と帯域幅によって特徴付けられる。音響結合器によって音響結合させることが可能な情報信号の最大データレートは、通過帯域の帯域幅によって決まる。簡略化のために、音響結合器の通過帯域の中心周波数は以後、「音響結合器の中心周波数」と呼ぶものとする。後で詳しく説明するように、音響結合器の一部の実施形態は、種々の音響伝達材料の層を含み、その層の厚さは、音響結合器の中心周波数に等しい公称周波数を有する音響信号の、音響伝達材料中での波長によって決まる。図１に示す音響ガルバニック・アイソレータ１０において、キャリア信号ＳＣの公称周波数は、絶縁音響結合器１６として使用される音響結合器の中心周波数に等しい。
【００２０】
本開示において、「四分の一波長層」という用語は、音響結合器の中心周波数に等しい公称周波数を有する音響信号の、音響伝達材料中での波長の四分の一の奇数倍に等しい公称厚ｔを有する音響伝達材料の層という意味で使用される。すなわち、
ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４                        ・・・（１）
である。ただし、λｎは音響伝達材料中での上記音響信号の波長であり、ｍはゼロ以上の整数である。四分の一波長層の厚さは、λｎ／４の約±１０％だけ公称厚とは異なる場合がある。この許容範囲外の厚さを使用した場合、性能が幾らか劣化する可能性があるが、四分の一波長層の厚さは、λｎ／２の整数倍から常に大きく異なる。
【００２１】
また、本開示において、上記音響信号の音響伝達材料の層の中での四分の一波長の特定個数に等しい厚さを有する四分の一波長層は、「四分の一波長層」という用語の前に、その四分の一波長の個数を付けた用語で記される。例えば、「１四分の一波長厚層」という用語は、音響結合器の中心周波数に等しい周波数を有する音響信号の音響材料中での波長の四分の一に等しい公称厚ｔを有する音響伝達材料の層という意味で使用される。すなわち、ｔ≒λｎ／４（式（１）においてｍ＝０））である。１四分の一波長厚層は、もっともありえない厚さの四分の一波長層である。同様に、３四分の一波長層は、上記の音響信号の音響伝達材料中での波長の４分の３に等しい公称厚ｔを有する。すなわち、ｔ≒３λｎ／４（式（１）においてｍ＝１））である。
【００２２】
「半波長層」という用語は、音響結合器の中心周波数に等しい周波数を有する音響信号の音響伝達材料中での波長の半分の整数倍に等しい公称厚ｔを有する音響伝達材料の層という意味で使用される。すなわち、
ｔ≒ｎλｎ／２                                  ・・・（２）
である。ただし、ｎは１以上の整数である。半波長層の厚さは、公称厚から、λｎ／２の約±１０％だけ異なる場合がある。この許容範囲外の厚さを使用した場合、性能が幾らか劣化する可能性があるが、半波長層の厚さは、λｎ／４の奇数倍から常に大きく異なる。「半波長層」という用語の前に数字を付けたものは、上記の音響信号の音響伝達材料の層の中での半波長の指定個数に等しい厚さを有する層を意味する。
【００２３】
音響ガルバニック・アイソレータ、及び、その構成要素である絶縁音響結合器は、「絶縁破壊電圧（降伏電圧）」によって特徴付けられる。音響ガルバニック・アイソレータの絶縁破壊電圧とは、音響ガルバニック・アイソレータの入力端子と出力端子の間に電圧を印加したときに、スレショールド・リーク電流よりも大きなリーク電流が流れる電圧である。本開示に記載されるように、複数の入力端子及び複数の出力端子を有する音響ガルバニック・アイソレータでは、絶縁破壊電圧測定を行うために、入力端子が互いに電気的に接続され、出力端子が互いに電気的に接続される。絶縁音響結合器の絶縁破壊電圧とは、音響共振する絶縁体の入力と出力の間に電圧を印加したときに、スレショールド・リーク電流よりも大きなリーク電流が発生する電圧である。複数の入力及び複数の出力を有する絶縁音響結合器では、絶縁破壊電圧測定を行うために、入力端子が互いに電気的に接続され、出力端子が互いに電気的に接続される。スレショールド・リーク電流は実施形態によって異なり、通常は数マイクロアンペア程度である。
【００２４】
図２は、本発明の第１の実施形態による音響結合器１００の一例を示す概略図である。音響結合器１００は、入力２６、２８と、出力３２、３４と、第１の減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）１０６と、第２の減結合積層型バルク音響共振器１０８と、入力端子２６、２８と出力３２、３４の間においてＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を直列に接続する電気回路１４０とを含む。ＤＳＢＡＲ１０６は音響減結合器１３０を含み、ＤＳＢＡＲ１０８は音響減結合器１７０を含む。音響減結合器１３０と音響減結合器１７０のうちの少なくとも一方は、入力２６、２８を出力３２、３４から電気的に絶縁する。通常、音響減結合器１３０と音響減結合器１７０はいずれも絶縁性である。絶縁音響結合器１３０と絶縁音響結合器１７０は、入力２６、２８と出力３２、３４の間において直列に接続される。
【００２５】
図１に示す音響ガルバニック・アイソレータにおける絶縁音響結合器１６として使用する場合、音響結合器１００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に音響結合させると同時に、入力２６、２８と出力３２、３４の間を電気的に絶縁する。したがって、音響結合器１００は、出力端子３６、３８を入力端子２２、２４からガルバニック絶縁するとともに、音響結合器１００の絶縁破壊電圧を上昇させることにより、出力端子の電圧を入力端子の電圧とは違う電圧にすることができる。
【００２６】
ＤＳＢＡＲ１０６及びＤＳＢＡＲ１０８はそれぞれ、第１のＦＢＡＲ（圧電薄膜共振器:Film Bulk Acoustic Resonator）及び第２のＦＢＡＲ、並びにそれらのＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器を含む。各ＦＢＡＲは、対向する２枚の平坦な電極と、それらの電極間に配置された圧電素子とを有する。具体的には、第１のＤＳＢＡＲ１０６は、第１のＦＢＡＲ１１０、第２のＦＢＡＲ１２０、及び、それらのＦＢＡＲ間に配置された絶縁音響減結合器１３０から構成される。第２のＤＳＢＡＲ１０８は、第１のＦＢＡＲ１５０、第２のＦＢＡＲ１６０、及び、それらのＦＢＡＲ間に配置された絶縁音響減結合器１７０から構成される。図示の例において、第２のＦＢＡＲ１２０は第１のＦＢＡＲ１１０の上にスタックされ、第１のＦＢＡＲ１５０は第２のＦＢＡＲ１６０の上にスタックされている。あるいは、第１のＦＢＡＲ１１０を第２のＦＢＡＲ１２０の上にスタックし、第２のＦＢＡＲ１６０を第１のＦＢＡＲ１５０の上にスタックしてもよい。
【００２７】
第１のＤＳＢＡＲ１０６において、第１のＦＢＡＲ１１０は、対向する２枚の平坦な電極１１２及び１１４、並びに、電極１１２と電極１１４の間に配置された圧電素子１１６から構成される。ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間には、絶縁音響減結合器１３０が配置される。第２のＤＳＢＡＲ１０８において、第１のＦＢＡＲ１５０は、対向する２枚の平坦な電極１５２及び１５４、並びに、電極１５２と電極１５４の間に配置された圧電素子１５６から構成され、第２のＦＢＡＲ１６０は、対向する２枚の平坦な電極１６２及び１６４、並びに、電極１６２と電極１６４の間に配置された圧電素子１６６から構成される。ＦＢＡＲ１５０の電極１５２とＦＢＡＲ１６０の電極１６４の間には、絶縁音響減結合器１７０が配置される。
【００２８】
電気回路１４０は、導体１３６、１３８、１７６、１７８、１８２及び１８４から構成される。導体１３６及び１３８は、第１のＤＳＢＡＲ１０６の第１のＦＢＡＲ１１０の入力２６、２８を電極１１２及び１１４にそれぞれ電気的に接続する。導体１８２及び１８４は、第２のＦＢＡＲ１２０の電極１２２を第１のＦＢＡＲ１５０の電極１５２に接続し、第２のＦＢＡＲ１２０の電極１２４を第１のＦＢＡＲ１５０の電極１５４に接続することにより、ＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を直列に接続する。導体１７６及び１７８は、第２のＤＳＢＡＲ１０８の第２のＦＢＡＲ１６０の電極１６２及び１６４を出力３２、３４にそれぞれ電気的に接続する。
【００２９】
第１のＤＳＢＡＲ１０６において、入力２６、２８において受信された変調電気信号ＳＭは、導体１３６及び１３８をそれぞれ介して、第１のＦＢＡＲ１１０の電極１１２及び１１４に供給される。第１のＦＡＢＡＲ１１０において、電極１１２及び１１４は、その電気的入力信号を圧電素子１１６に印加する。圧電素子１１６に印加された電気的入力信号によって、第１のＦＢＡＲ１１０に機械的振動が発生する。音響減結合器１３０は、第１のＦＢＡＲ１１０によって生成された音響信号の一部を第２のＦＢＡＲ１２０に結合し、その音響信号はＦＢＡＲ１２０を振動させる。第２のＦＢＡＲ１２０の圧電素子１２６は、第２のＦＢＡＲ１２０の機械的振動を第２のＦＢＡＲ１２０の電極１２２及び１２４によって受信される中間電気信号に変換する。電気回路１４０は、第１のＤＳＢＡＲ１０６の第２のＦＢＡＲ１２０の電極１２２及び１２４からの中間電気信号を、第２のＤＳＢＡＲ１０８の第１のＦＢＡＲ１５０の電極１５２及び１５４にそれぞれ結合する。
【００３０】
第２のＤＳＢＡＲ１０８において、第１のＦＢＡＲ１５０は、圧電素子１５６に印加された中間電気信号に応答して機械的に振動する。音響減結合器１７０は、第１のＦＢＡＲ１５０によって生成された音響信号の一部を第２のＦＢＡＲ１６０に結合し、その音響信号は第２のＦＢＡＲ１６０を振動させる。第２のＦＢＡＲ１６０の圧電素子１６６は、第２のＦＢＡＲ１６０の機械的振動を、ＦＢＡＲ１６０の電極１６２及び１６４によって受信される電気出力信号ＳＯに変換する。導体１７６及び１７８は、電極１６２及び１６４からの電気出力信号ＳＯを出力３２、３４にそれぞれ接続する。
【００３１】
出力３２と出力３４の間に現れる電気出力信号ＳＯは、同じ周波数を有し、入力２６と入力２８の間に印加された変調電気信号ＳＭの情報内容を含む。したがって、音響結合器１００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に効率的に音響結合する。絶縁音響減結合器１３０は、入力２８に接続された電極１１４を電極１５２に接続された電極１２２から電気的に絶縁し、絶縁音響減結合器１７０は、電極１５２を出力３４に接続された電極１６４から電気的に絶縁する。したがって、音響結合器１００はさらに、出力３２、３４を入力２６、２８から電気的に絶縁する。
【００３２】
音響結合器１００において、音響減結合器１３０は、ＦＢＡＲ１１０によって生成された音響信号のＦＢＡＲ１２０への結合を調節し、音響減結合器１７０は、ＦＢＡＲ１５０によって生成された音響信号のＦＢＡＲ１６０への結合を調節する。音響減結合器１３０と音響減結合器１７０は合わせて、音響結合器１００の帯域幅を制御する。具体的には、音響減結合器１３０と、ＦＢＡＲ１１０及び１２０との間の音響インピーダンスの大きな不整合が原因で、音響減結合器１３０は、ＦＢＡＲ１１０からＦＢＡＲ１２０へ結合される音響信号の量が、それらのＦＢＡＲ間を直接接触させた場合に比べて少ない。同様に、音響減結合器１７０と、ＦＢＡＲ１５０及び１６０との間の音響インピーダンスの大きな不整合が原因で、音響減結合器１７０は、ＦＢＡＲ１５０からＦＢＡＲ１６０へ結合される音響信号の量が、それらのＦＢＡＲ間を直接接触させた場合に比べて少ない。
【００３３】
変調電気信号ＳＭは、入力端子２６、２８と出力端子３２、３４の間において直列に接続されたＤＳＢＡＲ１０６及び１０８の中を通過する。図３は、ＤＳＢＡＲ１０６及びＤＳＢＡＲ１０８の周波数応答特性の例として、ＤＳＢＡＲ１０６の周波数応答特性を破線で示している。ＤＳＢＡＲ１０６は、１００ＭＨｚよりも高い通過帯域を有する、平坦なインバンド応答を示す。１００ＭＨｚは、１００Ｍｂ／ｓよりも高いデータレートを有する電気情報信号ＳＩの一実施形態によってキャリア信号ＳＣを変調することにより得られる変調電気信号ＳＭの一実施形態の全帯域幅を伝送するために十分な幅である。各ＤＳＢＡＲは、そこを通過する電気信号の影響を受け、図３に破線で示すような周波数応答特性を有する。音響結合器１００の最終的な周波数応答は、図３に実線で描かれている。音響結合器１００は、平坦なインバンド応答を有し、通過帯域と遮断帯域の間に急勾配の変化を有する。また、中心周波数からのずれが増大するのに従って、周波数応答は低下し続け、最終的に遮断帯域において大きく減衰している。
【００３４】
図４Ａは、音響結合器１００の実施例を示す略平面図である。図４Ｂ及び図４Ｃは、図４Ａにおいてライン４Ｂ−４Ｂ及びライン４Ｃ−４Ｃに沿ってそれぞれ切断して見たときの断面図である。図４Ａ〜図４Ｃの音響結合器１００の要素には、図２の音響結合器１００の要素を記すために使用されたものと同じ参照符号が使用されている。
【００３５】
図４Ａ〜図４Ｃに示す音響結合器１００の実施形態において、ＤＳＢＡＲ１０６及びＤＳＢＡＲ１０８は、基板１０２に画定された同じキャビティ１０４の上に浮んでいる。ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８をキャビティの上に浮かべることで、ＤＳＢＡＲ１０６を構成する積層型ＦＢＡＲ１１０及び１２０、並びに、ＤＳＢＡＲ１０８を構成する積層型ＦＢＡＲ１５０及び１６０を、変調電気信号ＳＭに応答して、機械的に共振させることが可能になる。ＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を機械的に共振させる他の浮遊手段を使用することも可能である。例えば、ＤＳＢＡＲ１０６及びＤＳＢＡＲ１０８は、基板１０２に形成された対応するキャビティの上にそれぞれ浮かべてもよい。他の例として、ＤＳＢＡＲ１０６及びＤＳＢＡＲ１０８は、音響ブラッグ反射器（図示せず）によって基板１０２から音響的に分離される場合がある。音響ブラッグ反射器については、「Cavity-Less Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Devices」と題する本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００５０１０４６９０号にJohn D.Larson III他が記載しており、この米国特許出願は参照により本明細書に援用される。
【００３６】
図４Ａ〜図４Ｃに示す例において、基板１０２の材料は単結晶シリコンである。単結晶シリコンは半導体であるから、電気的絶縁性はよくない。基板１０２は通常、単結晶シリコンのベース層１０１、及び、ベース層の主表面上に配置された誘電体材料の絶縁層１０３から構成される。絶縁層の材料の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ポリイミド、架橋ポリフェニレンポリマー、及び、任意の他の適当な絶縁性材料が挙げられる。絶縁層１０３は、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８をベース層１０１から絶縁する。あるいは、基板１０２の材料は、非常に高い電気抵抗及び破壊電界強度を有するアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のようなセラミック材料であってもよい。
【００３７】
図４Ａ〜図４Ｃに示す例において、圧電材料からなる圧電層１１７は、圧電素子１１６及び１６６として機能し、圧電材料からなる圧電層１２７は、圧電素子１２６及び１５６として機能する。さらに、図４Ａ〜図４Ｃに示す例において、音響減結合材料からなる単一の音響減結合層１３１は、図５Ａを参照して後で詳しく説明するように、音響減結合器１３０及び１７０として機能する。
【００３８】
図４Ａ〜図４Ｃに示す例において、図２に示した入力２６、２８は、端子パッド２６、２８としてそれぞれ実施され、図２に示した出力３２、３４は、端子パッド３２、３４としてそれぞれ実施される。端子パッド２６、２８、３２及び３４は、基板１０２の主表面上に配置される。図２に示した電気回路１４０は、端子パッド２６からＦＢＡＲ１１０の電極１１２まで延びる電気トレース１３６、端子パッド２８からＦＢＡＲ１１０の電極１１４まで延びる電気トレース１３８、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２からＦＢＡＲ１５０の電極１５２まで延びる電気トレース１８２、ＦＢＡＲ１２０の電極１２４からＦＢＡＲ１５０の電極１５４まで延びる電気トレース１８４、ＦＢＡＲ１６０の電極１６２から端子パッド３２まで延びる電気トレース１７６、及び、ＦＢＡＲ１６０の電極１６４から端子パッド３４まで延びる電気トレース１７８から構成される。電気トレース１３６、１３８、１７６及び１７８は全て、基板１０２の主表面の一部の上に延びている。また、電気トレース１３６及び１７６は圧電層１１７の一部の下に延び、電気トレース１３８及び１７８は圧電層１１７の一部の上に延び、電気トレース１８２は音響減結合層１３１の一部の上に延び、電気トレース１８４は圧電層１２７の一部の上に延びている。
【００３９】
局部発振器１２、変調器１４、及び、復調器１８が基板１０２に、又は、基板１０２上に形成される音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）の実施形態では、端子パッド２６、２８、３２及び３４は通常省略され、電気トレース１３６及び１３８は変調器１４の一部を構成する対応するトレースに接続されるように延び、電気トレース１７６及び１７８は復調器１８の一部を構成する対応するトレースに接続されるように延びる。
【００４０】
図５Ａは、絶縁音響減結合器１３０の第１の実施形態を示す、図４Ｂにおいて５Ａでマークされた部分の拡大図である。絶縁音響減結合器１３０に関する下記の説明は、絶縁音響減結合器１７０にも当てはまる。したがって、絶縁音響減結合器１７０について別個に説明はしない。図５Ａに示す実施形態において、絶縁音響減結合器１３０は、絶縁音響減結合材料の四分の一波長音響減結合層１３１から構成される。音響減結合層１３１は、ＦＢＡＲ１１０及び１２０（図４Ｂ）の電極１１４と電極１２２の間にそれぞれに配置され、音響減結合器１３０として機能し、また、ＦＢＡＲ１５０及び１６０（図４Ｂ）の電極１５２と電極１６４の間にもそれぞれ配置され、音響減結合器１７０として機能する。あるいは、別個の音響減結合層（図示せず）を使用して音響減結合器１３０及び１７０を形成してもよい。音響減結合層１３１の音響減結合材料は、空気の音響インピーダンスとＦＢＡＲ１１０及び１２０の材料の音響インピーダンスの中間の音響インピーダンスを有し、さらに、高い電気抵抗及び高い絶縁破壊電圧を有する。
【００４１】
材料の音響インピーダンスとは、その材料中での粒子速度に対する応力の比であり、レイリー（「レイル」と略される）を単位として測定される。ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０の圧電素子１１６、１２６、１５６及び１６６の圧電材料はそれぞれ、通常、窒化アルミニウムであり、電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２及び１６４の材料は通常、モリブデン（Ｍｏ）である。ＡｌＮの音響インピーダンスは通常、約３５Ｍレイルであり、モリブデンの音響インピーダンスは通常、約６３Ｍレイルである。空気の音響インピーダンスは、約１キロレイルである。
【００４２】
通常、音響減結合層１３１の絶縁音響減結合材料の音響インピーダンスは、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の圧電素子１１６及び１２６を構成する圧電材料の音響インピーダンスに比べて約１桁小さい大きさである。音響結合器１００の通過帯域の帯域幅は、音響減結合層１３１の音響減結合材料の音響インピーダンスと、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の材料の音響インピーダンスとの差によって決まる。ＦＢＡＲ１１０及び１２０の材料が上記のようなものである音響減結合器１００の実施形態において、約２メガレイルから約８メガレイルの範囲の音響インピーダンスを有する音響減結合材料を使用した場合、音響減結合器の通過帯域幅は、音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）を１００Ｍｂ／ｓよりも高いデータレートで動作させるのに十分なものになる。
【００４３】
音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）の入力端子２２、２４と出力端子３６、３８の間の絶縁破壊電圧を決める主な要因は、音響減結合層１３１の音響減結合材料の絶縁破壊電界、及び、音響結合器１００の音響減結合層１３１の厚さである。音響減結合層１３１が１四分の一波長層である音響結合器１００の実施形態は通常、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを最適な信号完全性で出力３２、３４に結合する。音響減結合層１３１が１四分の一波長層よりも厚い音響結合器１００の一実施形態は通常、複数の音響モードを可能にするそのような厚い音響減結合層の機能によって、周波数応答にスプリアス応答アーチファクトが現れる。このスプリアス応答アーチファクトは、音響結合器１００によって出力される電気出力信号ＳＯの「目」の開口部を縮小する傾向をもつ。音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）によって出力された復元電気情報信号ＳＲの完全性を確保するために、音響結合器１００が音響減結合層１３１として１四分の一波長層よりも厚い層を有する実施形態は通常、音響結合器１００が音響減結合層１３１として１四分の一波長波長層（ｍ＝０）を有する実施形態に比べて、複雑なタイプのクロック及びデータ復元回路を復調器１８内に有する必要がある。ただし、音響減結合材料が同じであれば、音響減結合層１３１として１四分の一波長層よりも厚い層を有する音響結合器１００の実施形態は通常、音響減結合層１３１として１四分の一波長層を有する実施形態に比べて大きな絶縁破壊電圧を有する音響結合器１００となる。
【００４４】
音響減結合層１３１は、電極１１４及び１６４の上に、電気的に絶縁性の音響減結合材料の前駆体溶液をスピンコーティングすることによって形成される。スピンコーティングによって形成される音響減結合層は一般に、音響減結合材料によってコーティングされた表面の輪郭から、厚さの異なる種々の領域を有するものとなる。そのような実施形態では、音響減結合層１３１の厚さは、電極１１４と電極１２２の間、及び、電極１５２と電極１６４の間に位置する音響減結合層の部分の厚さである。
【００４５】
多くの材料は電気的に絶縁性であり、高い絶縁破壊電圧を有し、上記の範囲の音響インピーダンスを有する。また、多くのそのような材料は、上記の厚さ範囲内で均一な厚さの層として塗布することができる。したがって、そのような材料は、音響減結合層１３１の音響減結合材料として使用するのに適する可能性がある。ただし、音響減結合材料は、音響減結合器１３０及び１７０を形成するために音響減結合層１３１が蒸着された後に実施される製造処理の高温に耐える能力も有していなければならない。音響結合器１００の実際的な実施形態において、電極１２４、１５２及び１５４、並びに、圧電層１２７は、音響減結合材料が蒸着された後、スパッタリングによって蒸着される。これらの蒸着処理の間には、４００℃のような高温に達する。したがって、そのような温度においても安定状態を維持する材料が、音響減結合材料として使用される。
【００４６】
一般的な音響減結合材料は、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０の他の材料に比べて、単位長さあたりの音響減衰が非常に大きい。しかしながら、音響減結合層１３１は通常１μｍ厚未満であるため、音響減結合材料の音響減結合層１３１によって生じる音響減衰は通常、無視することができる。
【００４７】
一実施形態では、音響減結合層１３１の音響減結合材料としてポリイミドが使用される。ポリイミドは、E. I. du Pont De Nemours and CompanyからKaptonという商標で販売されている。そのような実施形態では、音響減結合器１３０及び音響減結合器１７０は、スピンコーティングによって塗布されるポリイミドの音響減結合層１３１として形成される。ポリイミドは、約４メガレイルの音響インピーダンスを有し、約１６５ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊電界を有する。
【００４８】
他の実施形態では、音響減結合層１３１の音響減結合材料としてポリ（パラキシレン）が使用される。そのような実施形態では、音響減結合器１３０及び音響減結合器１７０は、真空蒸着によって塗布されるポリ（パラキシレン）の音響減結合層１３１として形成される。ポリ（パラキシレン）は、当該技術分野では「パリレン」とも呼ばれる。パリレンの層の真空蒸着を実施するための、パリレンを作成する元になるダイマー型前駆体のジパラキシレンや、パリレンの層の真空蒸着を実施するための装置は、多くのサプライヤから入手することが可能である。パリレンは、約２．８Ｍレイルの音響インピーダンスを有し、約２７５ｋＶ／ｍｍの絶縁破壊電解強度を有する。
【００４９】
他の実施形態では、音響減結合層１３１の音響減結合材料として架橋ポリフェニレンポリマーが使用される。そのような実施形態では、音響減結合器１３０及び音響減結合器１７０は、架橋ポリフェニレンポリマーの音響減結合層１３１として、スピンコーティングによって塗布された電極１１４に形成される。架橋ポリフェニレンポリマーは、集積回路で使用するために、低誘電率の物質として開発されたものであるため、後のＦＢＡＲ１２０及び１６０の製造の際に音響減結合材料が受ける高温においても安定状態に留まる。架橋ポリフェニレンポリマーの計算上の音響インピーダンスは、約２Ｍレイルである。この音響インピーダンスは、１００Ｍビット／秒のデータレートの動作に十分な通過帯域幅を音響結合器１００に与える音響インピーダンスの範囲内である。
【００５０】
重合によって対応する架橋ポリフェニレンポリマーを形成する種々のオリゴマーを含む前駆体溶液は、米国ミシガン州ミッドランドのThe Dow Chemical Companyから、Silkという登録商標で販売されている。前駆体溶液はスピンコーティングにより塗布される。接着促進剤を更に含有するSilk（登録商標）Ｊと呼ばれる前駆体溶液の１つから得られる架橋ポリフェニレンポリマーの計算上の音響インピーダンスは、２．１Ｍレイル、即ち約２Ｍレイルである。この架橋ポリフェニレンポリマーの絶縁破壊電界は約４００ｋＶ／ｍｍである。
【００５１】
重合によって架橋ポリフェニレンポリマーを形成するオリゴマーは、ビスシンクロペンタジエノン含有モノマー及び芳香族アセチレン含有モノマーから作成される。これらのモノマーを使用すれば、過度の置換を行う必要なく、可溶性オリゴマーが形成することができる。前駆体溶液は、ガンマブチロラクトン及びシクロヘキサノン溶剤に溶かされた特定のオリゴマーを含有する。前駆体溶液をスピンオンするときの層の厚さは、前駆体溶液中のオリゴマーの割合によって決まる。前駆体溶液を塗布した後、熱を加えて溶剤を蒸発させ、オリゴマーを硬化させて架橋ポリマーを形成する。ビスシンクロペンタジエノンは４＋２付加環化反応でアセチレンと反応し、新たな芳香環を形成する。さらに硬化させることにより、架橋ポリフェニレンポリマーが得られる。上記の架橋ポリフェニレンポリマーは、Godschalx他による米国特許第５，９６５，６７９号に開示されている。詳細は、Martin他著、「Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect」12 Advanced Materials、1769（2000年）に記載されている。架橋ポリフェニレンポリマーはポリイミドに比べて、低い音響インピーダンス、低い音響減衰、及び、低い誘電率を有する。さらに、前駆体溶液のスピンオンされた層によれば、音響減結合層１３１の典型的な厚さである約２００ｎｍの厚さの架橋ポリフェニレンポリマーの高品質の薄膜を作成することが可能になる。
【００５２】
代替実施形態において、音響減結合器１３０及び音響減結合器１７０として機能する音響減結合層１３１の音響減結合材料は、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０の材料の音響インピーダンスよりも実質的に大きな音響インピーダンスを有する材料である。この性質を持つ材料は現時点では知られていないが、そのような材料も将来は利用可能になる可能性があり、また、将来は、もっと低い音響インピーダンスのＦＢＡＲ材料も利用可能になる可能性がある。そのような大きな音響インピーダンスの音響減結合材料の四分の一波長層の厚さは、上で述べたとおりである。
【００５３】
図５Ｂは、絶縁音響減結合器１３０の第２の実施形態を示す、図４Ｂにおいて５Ａでマークされた部分の拡大図である。絶縁音響結合器１７０も同様に構成される。絶縁音響減結合器１３０に関する下記の説明は、音響減結合器１７０にも当てはまる。したがって、音響減結合器１７０について別個に説明はしない。図５Ｂに示す実施形態において、音響減結合器１３０は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間に配置された絶縁音響ブラッグ構造１６１から構成される。音響ブラッグ構造１６１は、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５と１６７の間に配置された低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３を含む。これらのブラッグ要素のうちの少なくとも１つは、高い抵抗、低い誘電率、及び、高い絶縁破壊電界を有する材料の層からなる。
【００５４】
ブラッグ要素１６３、１６５及び１６７はそれぞれ、四分の一波長層である。低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、低音響インピーダンス材料の四分の一波長層であるのに対し、高い音響インピーダンスのブラッグ要素１６５及び１６７はそれぞれ、高音響インピーダンス材料の四分の一波長層である。これらのブラッグ要素の音響インピーダンスは、相対的に「低い」又は「高い」として特徴付けられ、また、圧電素子１１６及び１２６の圧電材料の音響インピーダンスに対して「低い」又は「高い」として特徴付けられる。音響減結合器１３０のブラッグ構造１６１、および、音響減結合器１７０のブラッグ構造（図示せず）を形成するために、通常、一般的材料の四分の一波長層が使用される。あるいは、音響減結合器１３０と１７０は、別個の四分の一波長層から構成される場合もある。
【００５５】
一実施形態において、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の四分の一波長層であり、この層は、約１３Ｍレイルの音響インピーダンスを有し、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５及び１６７はそれぞれ、電極１１４及び１２２と同じ材料、例えばモリブデンの四分の一波長層である。モリブデンはの音響インピーダンスは約６３Ｍレイルである。高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５とＦＢＡＲ１１０の電極１１４に同じ材料を使用することで、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５を更に、電極１１４として機能させることができる。同様に、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６７とＦＢＡＲ１２０の電極１２２に同じ材料を使用することで、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６７を更に電極１２２として機能させることができる。
【００５６】
例えば、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５及び１６７は、１四分の一波長層であり、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３は、ＳｉＯ２の１四分の一波長層である。キャリア信号ＳＣの周波数が約１．９ＭＨｚである一実施形態において、モリブデンの高音響インピーダンス要素１６５及び１６７の厚さは約８２０ｎｍであり、ＳｉＯ２の低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３の厚さは約２６０ｎｍである。
【００５７】
低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３の代替材料は、Dow Chemical Co.からＳｉＬＫ（登録商標）という名で販売されている前駆体溶液から作成される上記の架橋ポリフェニレンポリマーのような架橋ポリフェニレンポリマーである。低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３の代替材料の例としては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び、種々のガラスが挙げられる。高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５及び１６７の代替材料としては、タングステン（Ｗ）がある。
【００５８】
今述べた実施形態において、ブラッグ要素１６３、１６５及び１６７のうちの１つだけは絶縁性であり、音響結合器１００の絶縁破壊電圧、すなわち音響ガルバニック・アイソレータ１０の絶縁破壊電圧は、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３の厚さ、及び、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３の材料の絶縁破壊電界によって決まる。
【００５９】
音響結合器１００の絶縁破壊電圧は、ブラッグ構造１６１を構成するブラッグ要素１６３、１６５及び１６７を全て電気的絶縁性材料から作成することによって増加させることができる。一実施形態において、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６３及び１６７はそれぞれ酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の四分の一波長層であり、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６５は、Dow Chemical Co.からＳｉＬＫ（登録商標）という名で販売されている前駆体溶液から作成される上記の架橋ポリフェニレンポリマーのような架橋ポリフェニレンポリマーの四分の一波長層である。ただし、酸化ケイ素は、約３０ｋＶ／ｍｍの比較的低い絶縁破壊電界を有し、この材料の音速は比較的低いので、典型的な架橋ポリフェニレンポリマーの四分の一波長層は比較的薄い。全て絶縁性材料から作成される比較的大きな絶縁破壊電圧を有するブラッグ構造１６１の他の実施形態において、高音響インピーダンスのブラッグ要素１６３及び１６７はそれぞれ、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の四分の一波長層であり、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６５は、二酸化ケイ素の四分の一波長層である。酸化アルミニウムの音響インピーダンスは約４４Ｍレイルであり、絶縁破壊電界は約数百キロボルト／ｍｍである。さらに、酸化アルミニウム中での音速は、典型的な架橋ポリフェニレンポリマー中における音速の約７倍である。酸化アルミニウムの２つの四分の一波長層、及び、二酸化ケイ素の四分の一波長層に一定の電圧を印加した場合、二酸化ケイ素の２つの四分の一波長層、及び、架橋ポリフェニレンポリマーの１四分の一波長層に同じ電圧を印加した場合に比べて、得られる電界は小さくなる。
【００６０】
ブラッグ要素１６３、１６５及び１６７の代替絶縁材料の例としては、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、及び、種々のガラスがある。上記の例は、音響インピーダンスが小さくなる順番で列挙した。低音響インピーダンスのブラッグ層１６３として低音響インピーダンスの材料を使用するとすれば、高音響インピーダンスのブラッグ層１６５、１６７の材料には、上記の例のうちのいずれを使用してもよい。
【００６１】
高音響インピーダンスのブラッグ要素１６５及び１６７と、低音響インピーダンスのブラッグ要素１６３との間の音響インピーダンスの差が比較的小さい音響減結合器１３０の実施形態の場合、ブラッグ構造１６１は、２以上（ｎ）の低音響インピーダンスのブラッグ要素を対応する数（ｎ＋１）の高音響インピーダンスのブラッグ要素と交互に配置したものから構成される。例えば、ブラッグ構造１６１は、２つの低音響インピーダンスのブラッグ要素を３つの高音響インピーダンスのブラッグ要素と交互に配置したものから構成される場合がある。これらのブラッグ要素のうちの１つだけは、絶縁性でなければならず、ブラッグ要素のうちの２以上が絶縁性であれば、より高い絶縁破壊電圧が得られる。
【００６２】
ガルバニック・アイソレータによっては、その入力端子と出力端子の間の絶縁破壊電圧が１キロボルトよりも大きくなければならないものがある。音響結合器１００において、直列接続された絶縁音響減結合器１３０及び１７０は合わせて、入力２６、２８と出力３２、３４の間の電気的絶縁を行う。音響減結合器１３０及び１７０によって提供される電気的絶縁によれば、音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）は、高絶縁破壊電圧要件を満たすことができる。
【００６３】
次に、本発明による音響結合器の更に他の実施形態について説明する。これらの実施形態において、各ＤＳＢＡＲは、ＤＳＢＡＲを構成する薄膜音響共振器（ＦＢＡＲ）間に１以上の音響共振絶縁体を含む絶縁減結合積層型バルク音響共振器（ＩＤＳＢＡＲ）である。ＩＤＳＢＡＲの１以上の音響共振絶縁体は電気的に直列に接続され、上記の直列接続された絶縁音響減結合器１３０及び１７０によって提供される絶縁性よりも、入力２６、２８と出力３２、３４の間の電気的絶縁性を増加させる。したがって、こうした音響結合器の実施形態は、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明した音響結合器１００に比べて、実質的に高い絶縁破壊電圧を有する。
【００６４】
図６は、本発明の第２の実施形態による音響結合器２００の一例を示す概略図である。図７Ａは、音響結合器２００の実施例を示す平面図である。図７Ｂ及び図７Ｃは、図７Ａにおいてライン７Ｂ−７Ｂ及びライン７Ｃ−７Ｃに沿って切断してみたときの断面図ををそれぞれ示している。図６及び図７Ｂ〜７Ｃでは、同じ参照符号を使用して、音響結合器２００の要素を示している。
【００６５】
音響結合器２００は、入力２６、２８と、出力３２、３４と、第１の絶縁減結合積層型バルク音響共振器（ＩＤＳＢＡＲ）２０６と、第２のＩＤＳＢＡＲ２０８と、入力２６、２８と出力３２、３４の間においてＩＤＳＢＡＲ２０６とＩＤＳＢＡＲ２０８を直列に接続する電気回路１４０とを含む。音響結合器２００において、ＩＤＳＢＡＲ２０６及びＩＤＳＢＡＲ２０８はそれぞれ、第１のＩＤＳＢＡＲ実施形態によるＩＤＳＢＡＲである。この単純な形態の場合、第１のＩＤＳＢＡＲ実施形態によるＩＤＳＢＡＲは、その構成要素であるＦＢＡＲ間に、第１の音響減結合器、四分の一波長音響共振絶縁体、及び、第２の音響減結合器を含む。この音響共振絶縁体によれば、入力２６、２８から出力３２、３４への変調電気信号ＳＭの伝送完全性を低下させることなく、電気的絶縁性を増加させることができる。ＩＤＳＢＡＲ２０６及びＩＤＳＢＡＲ２０８は、図２を参照して上で説明した音響結合器１００の同様の実施形態に比べて高い絶縁破壊電圧を音響結合器２００に与える。
【００６６】
音響結合器２００を図１に示した音響ガルバニック・アイソレータ１０の絶縁音響結合器１６として使用する場合、音響結合器２００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に音響結合するとともに、入力２６、２８と出力３２、３４の間を電気的に絶縁する働きをする。したがって、音響結合器２００は、出力端子３６、３８を入力端子２２、２４からガルバニック絶縁し、最大で指定された絶縁破壊電圧だけ、出力端子の電圧を入力端子の電圧から異ならせることができる。
【００６７】
図６及び図７Ａ〜図７Ｃに示す音響結合器２００の例において、ＩＤＳＢＡＲ２０６は、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１１０と、下側ＦＢＡＲ１１０の上にスタックされた上側ＦＢＡＲ１２０とを含み、下側ＦＢＡＲ１１０と上側ＦＢＡＲ１２０の間に順番に配置された第１の音響減結合器１３０、四分の一波長音響共振絶縁体２１６、及び、第２の音響減結合器２３０を含む。ＩＤＳＢＡＲ２０８は、下側ＦＢＡＲ１６０と、下側ＦＢＡＲ１６０の上にスタックされた上側ＦＢＡＲ１５０とを含み、下側ＦＢＡＲ１６０と上側ＦＢＡＲ１５０の間に順番に配置された第１の音響減結合器１７０、四分の一波長音響共振絶縁体２５６、及び、第２の音響減結合器２７０を含む。ＩＤＳＢＡＲ２０６及びＩＤＳＢＡＲ２０８の他の実施形態では、各ＩＤＳＢＡＲは、２以上（ｎ）の音響共振絶縁体が対応する数（ｎ＋１）の音響減結合器と交互に配置されたものをＦＢＡＲ間に有する。
【００６８】
入力２６、２８と出力３２、３４の間において、音響共振絶縁体２１６及び２５６は直列に接続され、出力３２、３４を入力２６、２８から（逆も可）電気的に絶縁する。したがって、この実施形態では、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０が絶縁性である必要はない。ただし、入力２６、２８と出力３２、３４の間において、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０は、音響共振絶縁体２１６及び２５６に直列に接続され、その結果、絶縁性の音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０は、出力３２、３４と入力２６、２８の間（逆も可）の絶縁性を増加させる。したがって、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０が電気的に絶縁性である音響ガルバニック・アイソレータ（図１）の一実施形態は、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０が導電性である実施形態に比べて、高い絶縁破壊電圧を有する。
【００６９】
ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０、第１の音響減結合器１３０及び１７０、並びに、電気回路１４０及び基板１０２については、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明したので、ここでもう一度説明はしない。上に記載した音響減結合器１３０及び１７０の説明は、音響減結合器２３０及び２７０にも当てはまる。したがって、音響減結合器２３０及び２７０について別個に説明はしない。図５Ａ及び図５Ｂを参照して上で説明した音響減結合器１３０の例示的実施形態を使用すれば、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０をそれぞれ得ることができる。１以上の共通の材料の四分の一波長層を使用して、音響減結合器１３０と音響減結合器１７０の両方が提供され、１以上の共通の材料の四分の一波長層を使用して、音響減結合器２３０と音響減結合器２７０の両方が提供される場合がある。図７Ａ〜図７Ｃに示す実施形態において、音響減結合材料の音響減結合層１３１は、第１の音響減結合器１３０及び１７０として機能する。さらに、１以上の共通の音響減結合材料の四分の一波長層を使用して、第２の音響減結合器２３０と第２の音響減結合器２７０の両方が形成される。図７Ａ〜図７Ｃに示す例において、音響減結合材料の音響減結合層２３１は、第２の音響減結合器２３０及び２７０として機能する。あるいは、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０はそれぞれ、個別に形成してもよい。
【００７０】
次に、四分の一波長音響共振絶縁体２１６について説明する。下記の説明は、四分の一波長音響共振絶縁体２５６にも同様に当てはまる。したがって、音響共振絶縁体２５６について別個に説明はしない。音響共振絶縁体２１６は、電気的絶縁材料の四分の一波長層である。音響共振絶縁体２１６が１四分の一波長層である実施形態は通常、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを最適な信号完全性で出力３２、３４に結合する。
【００７１】
音響共振絶縁体２１６は、ＦＢＡＲ１１０によって生成された音響信号をＦＢＡＲ１２０に伝達するが、ＦＢＡＲ１２０をＦＢＡＲ１１０から電気的に絶縁する。また、音響減結合器１３０及び２３０は通常、電気的に絶縁性であり、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間の電気的絶縁性を増加させる。したがって、音響結合器２００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に結合するが、出力３２、３４を入力２６、２８から電気的に絶縁する。
【００７２】
音響共振絶縁体２１６の絶縁材料は通常、ＦＢＡＲ１１０及び１２０と同じ音響インピーダンスを有する誘電体材料または圧電材料である。例えば、音響共振絶縁体２１６の材料は、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の圧電素子１１６及び１２６の材料と同じ材料である。音響共振絶縁体２１６の材料が、圧電素子１１６及び１２６の材料とは異なる実施形態では、その音響インピーダンスの差は、実質的に１桁小さい。例えば、それらの音響インピーダンスの比は、２よりも小さい。音響共振絶縁体２１６の材料が例えば誘電体である一実施形態では、音響共振絶縁体２１６と、圧電素子１１６及び２１６に異なる材料が使用される。音響共振絶縁体２１６に適した誘電体材料には、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や、非圧電性（すなわち、セラミック）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がある。
【００７３】
音響共振絶縁体２１６は、理想的には１四分の一波長層であるが、音響共振絶縁体２１６の一般的な圧電材料や誘電体材料中における音速は、音響減結合器１３０及び２３０の材料中における速度よりもかなり大きい。したがって、例えば窒化アルミニウムの１四分の一波長層である音響共振絶縁体２１６の厚さは、一般的な音響減結合材料の１四分の一波長層の厚さの約７倍である。その結果、入力２６、２８と出力３２、３４の間に一定の電圧を印加する場合、音響共振絶縁体２１６のそのような実施形態において電圧を印加した場合に生成される電界は、図２を参照して上で説明した音響結合器１００の音響減結合器１３０において電圧を印加した場合に比べて小さくなる。また、音響共振絶縁体２１６の適当な圧電材料及び誘電体材料の絶縁破壊電界は、一般的な音響減結合材料のものと互換性がある。例えば、スパッタ蒸着された窒化アルミニウムのサンプルは、約８７５ｋＶ／ｍｍの測定絶縁破壊電界を有する。したがって、音響結合器２００は通常、図２に示した音響結合器１００よりも大きな絶縁破壊電圧を有する。
【００７４】
絶縁材料からなる同じ四分の一波長層を使用して、音響共振絶縁体２１６と音響共振絶縁体２５６の両方を提供することもできる。図７Ａ〜図７Ｃに示した例において、絶縁材料の四分の一波長層２１７は、音響共振絶縁体２１６及び２５６として機能する。あるいは、音響共振絶縁体２１６と２５６は、別々に形成してもよい。
【００７５】
図８は、本発明の第３の実施形態による音響結合器３００の一例を示す概略図である。図９Ａは、音響結合器３００の実施例を示す平面図である。図９Ｂ及び図９Ｃは、図９Ａにおいてライン９Ｂ−９Ｂ及びライン９Ｃ−９Ｃに沿って切断して見たときの断面図をそれぞれ示している。図８及び図９Ａ〜図９Ｃでは、同じ参照符号を使用して、音響結合器９００の要素を示している。
【００７６】
音響結合器３００は、入力２６、２８と、出力３２、３４と、絶縁減結合積層型バルク音響共振器（ＩＤＳＢＡＲ）３０６と、ＩＤＳＢＡＲ３０８と、入力と出力の間においてＩＤＳＢＡＲ３０６とＩＤＳＢＡＲ３０８を直列に接続する電気回路１４０とを含む。音響減結合器３００において、ＩＤＳＢＡＲ３０６及び３０８はそれぞれ、第２のＩＤＳＢＡＲ実施形態によるＩＤＳＢＡＲである。この単純な形態において、第２のＩＤＳＢＡＲ実施形態によるＩＤＳＢＡＲは、その構成要素であるＦＢＡＲ間に順番に、第１の半波長音響共振絶縁体、音響減結合器、及び、第２の音響共振絶縁体を含む。半波長音響共振絶縁体は、入力２６、２８から出力３２、３４への変調電気信号ＳＭの伝送完全性を低下させることなく、電気的絶縁性を増加させることができる。第２のＩＤＳＢＡＲ実施形態によるＩＤＳＢＡＲ３０６及びＩＤＳＢＡＲ３０８によれば、図２を参照して上で説明した音響結合器１００や図６を参照して上で説明した音響結合器２００に比べて、実質的に大きな絶縁破壊電圧を音響結合器３００に与えることができる。
【００７７】
音響結合器３００を図１に示した音響ガルバニック・アイソレータ１０における絶縁音響結合器１６として使用する場合、音響結合器３００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に音響結合するとともに、入力２６、２８と出力３２、３４の間を電気的に絶縁する働きをする。したがって、音響結合器３００は、出力端子３６、３８を入力端子２２、３４から有効に分離し、最大で指定された絶縁破壊電圧だけ、出力端子の電圧を入力端子の電圧とは異ならせることができる。
【００７８】
ＩＤＳＢＡＲ３０６及びＩＤＳＢＡＲ１０８はそれぞれ、その構成要素であるＦＢＡＲ間に順番に、第１の半波長音響共振絶縁体、音響減結合器、及び、第２の半波長音響共振絶縁体を有する。図８に示す音響結合器３００の例において、ＩＤＳＢＡＲ３０６は、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１１０と、ＦＢＡＲ１１０の上にスタックされた上側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１２０とを有し、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間に順番に配置された第１半波長音響共振絶縁体３１６、音響減結合器１３０、及び、第２の半波長音響共振絶縁体３２６を有する。ＩＤＳＢＡＲ３０８は、下側圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）１６０と、ＦＢＡＲ１６０の上にスタックされた上側ＦＢＡＲ１５０とを有し、上側ＦＢＡＲ１５０と下側ＦＢＡＲ１６０の間に順番に配置された第１の半波長音響共振絶縁体３５６、音響減結合器１７０、及び、第２の半波長音響共振絶縁体３６６を有する。音響結合器１００のＩＤＳＢＡＲ３０６及びＩＤＳＢＡＲ３０８はそれぞれ、２つの半波長音響共振絶縁体を有し、それらは、図６を参照して上で説明した音響共振絶縁体２１６及び２５６の２倍の厚さを有する。したがって、半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６をあわせると、音響共振絶縁体２１６及び２５６を合わせて得られる電気的絶縁性の約４倍の絶縁性が得られる。したがって、音響結合器３００の実施形態は、図２を参照して上で説明した音響結合器１００や図６を参照して上で説明した音響結合器２００の実施形態に比べて、入力２６、２８と出力３２、３４の間の絶縁破壊電圧が高い。ＩＤＳＢＡＲ３０６及びＩＤＳＢＡＲ３０８の他の実施形態において、各ＩＤＳＢＡＲは、偶数（２ｎ）個の半波長音響共振絶縁体を対応する数（２ｎ−１）個の音響減結合器と交互に配置したものをＦＢＡＲ間に有する場合がある。
【００７９】
半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６は、入力２６、２８と出力３２、３４の間において直列に接続され、出力３２、３４を入力２６、２８から（逆も可）電気的に絶縁する。したがって、この実施形態では、音響減結合器１３０、１７０、２３０及び２７０が電気的に絶縁性である必要はない。ただし、入力２６、２８と出力３２、３４の間において、音響減結合器１３０及び１７０は半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６に直列に接続され、その結果、電気的に絶縁性の音響減結合器１３０及び１７０は、出力３２、３４と入力２６、２８の間の電気的絶縁性を増加させる。したがって、音響減結合器１３０及び１７０が電気的に絶縁性である音響ガルバニック・アイソレータ１０（図１）の一実施形態の絶縁破壊電圧は通常、音響減結合器１７０及び１３０が導電性である実施形態における絶縁破壊電圧よりも高い。
【００８０】
ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０、音響減結合器１３０及び１７０、電気回路１４０、並びに、基板１０２については、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明したため、ここで再び説明はしない。図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明した音響減結合器１３０の例示的実施形態を使用すれば、音響減結合器１３０及び１７０をそれぞれ形成することができる。１以上の共通の材料の四分の一波長層を使用して、音響減結合器１３０及び音響減結合器１７０の両方を形成してもよい。図９Ａ〜図９Ｃに示す例において、音響減結合材料の音響減結合層１３１は、音響減結合器１３０及び１７０として機能する。あるいは、音響減結合器１３０と１７０は、別々にそれぞれ形成してもよい。
【００８１】
次に、半波長音響共振絶縁体３１６について説明する。下記の説明は、半波長音響共振絶縁体３２６、３５６及び３６６にも同様に当てはまる。したがって、音響共振絶縁体３２６、３５６及び３６６について別個に説明はしない。音響共振絶縁体３１６の音響インピーダンスは、理想的にはＦＢＡＲ１１０及び１２０の音響インピーダンスに一致する。半波長音響共振絶縁体３１６が１半波長層である実施形態は通常、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを最適な信号完全性で出力３２、３４に結合する。
【００８２】
音響結合器３００の中心周波数において、半波長音響共振絶縁体３１６及び半波長音響共振絶縁体３２６は、音響的に透過性である。半波長音響共振絶縁体３１６は、ＦＢＡＲ１１０によって生成された音響信号を音響減結合器１３０に結合し、半波長音響共振絶縁体３２６は、音響減結合器１３０によって伝達された音響信号の一部をＦＢＡＲ１２０に伝達する。したがって、ＩＤＳＢＡＲ３０６は、図２、３（破線）及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明したＤＳＢＡＲ１０６のものと同様の伝送特性を有する。さらに、半波長音響共振絶縁体３１６及び３２６は、ＦＢＡＲ１２０をＦＢＡＲ１１０から電気的に絶縁する。通常、音響減結合器１３０は、上で述べたようにＦＢＡＲ１１０と１２０の間の電気的絶縁性を増加させる。したがって、音響結合器３００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に有効に結合するが、出力３２、３４を入力２６、２８から電気的に絶縁する。
【００８３】
四分の一波長音響共振絶縁体２１６として使用するのに適している図６及び図７Ａ〜図７Ｃを参照して上で説明した材料は、半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６として使用するのにも適している。したがって、半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６の材料について、これ以上詳しい説明はしない。
【００８４】
半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６はそれぞれ、音響共振絶縁体２１６の２倍の厚さを有し、２つの半波長音響共振絶縁体３１６及び３２６は、ＦＢＡＲ１２０をＦＢＡＲ１１０から分離し、２つの半波長音響共振絶縁体３５６及び３６６は、ＦＢＡＲ１６０をＦＡＲ１５０から分離する。ＦＢＡＲ１５０はＦＢＡＲ１２０に電気的に接続される。また、半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６の一般的な圧電材料及び誘電体材料中における音速は、一般的な音響減結合材料中における速度よりもかなり速い。したがって、例えば半波長音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６が窒化アルミニウムの１半波長層である実施形態は、一般的な音響減結合材料の１四分の一波長層の約１４倍の厚さを有する。したがって、入力２６、２８と出力３２、３４の間に一定の電圧を印加するものとすれば、音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６、並びに、音響減結合器１３０及び１７０に電圧を印加した場合、図２及び図４Ａ〜図４Ｃに示した音響結合器１００の実施形態における音響減結合器１３０及び１７０に電圧を印加した場合に比べて、生成される電界は小さくなる。したがって、音響結合器３００は通常、図２及び図４Ａ〜図４Ｃに示した音響結合器１００に比べて実質的に大きな絶縁破壊電圧を有する。
【００８５】
同じ絶縁性材料の半波長層を使用して、半波長音響共振絶縁体３１６と半波長音響共振絶縁体３６６の両方を形成し、同じ絶縁性材料の半波長層を使用して、半波長音響共振絶縁体３２６と半波長音響共振絶縁体３５６の両方を形成してもよい。図９Ａ〜図９Ｃに示す例において、絶縁材料の半波長層３１７は、半波長音響共振絶縁体３１６及び３６６として機能し、絶縁材料の半波長層３２７は、半波長音響共振絶縁体３２６及び３５６として機能する。あるいは、音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６は、個別に形成してもよい。
【００８６】
図１０は、本発明の第４の実施形態による音響結合器４００の一例を示す概略図である。図１１Ａは、音響結合器４００の一実施例を示す平面図である。図１１Ｂ及び図１１Ｃは、図１１Ａにおいてライン１１Ｂ−１１Ｂ及びライン１１Ｃ−１１Ｃに沿って切断して見たときの断面図をそれぞれ示している。図１０及び図１１Ａ〜図１１Ｃでは、同じ参照符号を使用して、音響結合器４００の要素を示している。音響結合器４００は、入力２６、２８と、出力３２、３４と、減結合積層型バルク音響共振器（ＤＳＢＡＲ）１０６と、ＤＳＢＡＲ１０８と、入力と出力の間においてＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を直列に接続する電気回路４４０とを含む。音響結合器４００は、絶縁体層を追加しなくても、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明した音響結合器１００に比べて大きな絶縁破壊電圧を有する。
【００８７】
音響結合器４００を図１に示した音響ガルバニック・アイソレータ１０における絶縁音響結合器１６として使用する場合、音響結合器４００は、入力２６、２８からの変調電気信号ＳＭを出力３２、３４に音響結合するとともに、入力２６、２８と出力３２、３４の間を電気的に絶縁する働きをする。したがって、音響結合器４００は、出力端子３６、３８を入力端子２２、２４からガルバニック絶縁し、出力端子の電圧を最大で指定された絶縁破壊電圧だけ入力端子の電圧とは異ならせることができる。
【００８８】
音響結合器４００のＤＳＢＡＲ１０６及び１０８（音響減結合器１３０及び１７０を含む）並びに基板１０２は、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明した音響結合器１００のＤＳＢＡＲ１０６及び１０８並びに基板１０２と同じ構造を有し、同じ動作をするため、ここで再度説明はしない。
【００８９】
電気回路４４０は、図２を参照して上で説明した音響結合器１００の電気回路１４０とは次の点で異なる。音響結合器１００では、電気回路１４０は、ＤＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲ１２０をＤＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲ１５０と並列に接続することにより、入力２６、２８と出力３２、３４の間において、ＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を直列に接続している。音響結合器４００では、電気回路４４０は、ＤＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲ１２０をＤＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲ１５０と逆並列に接続することにより、入力２６、２８と出力３２、３４の間において、ＤＳＢＡＲ１０６とＤＳＢＡＲ１０８を直列に接続している。ＦＢＡＲ１２０とＦＢＡＲ１５０を並列に接続するのではなく逆並列に接続する場合であって、圧電素子１２６及び１５６によって電気的絶縁性を増加させる場合、入力２６、２８と出力３２、３４の間の電気経路上に、ＦＢＡＲ１２０及び１５０の圧電素子１２６及び１５６が配置される。したがって、圧電材料及び圧電素子の厚さが一定であり、音響減結合の構造及び材料が一定であるとすれば、音響結合器４００は、図６を参照して上で説明した音響結合器２００のものと同様の絶縁破壊電圧を有するが、製造はそれよりも簡単になる。なぜなら、音響結合器を構成する層の数が少ないからである。音響結合器４００は、図２を参照して上で説明した音響結合器１００と同じ数の構成層数を有するが、音響結合器１００は絶縁破壊電圧が低い。
【００９０】
電気回路４４０において、導体４８２は、ＤＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲ１２０の電極１２２をＤＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲ１５０の電極１５４に接続し、導体４８４は、ＤＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲ１２０の電極１２４をＤＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲ１５０の電極１５４に接続する。入力２６、２８と出力３２、３４の間に形成可能な８通りの電気経路のうち、入力２８と出力３４の間の２つの電気経路（一方は導体４８４を通り、他方は導体４８２を通る）は最も短く、したがって、電気的絶縁破壊の影響を最も受けやすい。電気回路４４０は、入力２８と出力３４の間において圧電素子１２６を介して電気経路上で音響減結合器１３０及び１７０に直列に接続された圧電素子１２６を探す。圧電素子１２６及び１５６の圧電材料は通常、高い抵抗値、及び、高い絶縁破壊電界を有し、圧電素子１２６及び１５６はそれぞれ、通常、上で説明した音響結合器１００における電気的分離を単独で提供する音響減結合器１３０及び１７０に比べて厚い。したがって、同様の寸法、材料、及び、層厚であれば、音響結合器４００は通常、図２及び図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明した音響結合器４００よりも大きな絶縁破壊電圧を有する。通常、同様の寸法、材料、及び、層厚であれば、音響結合器４００は、図６及び図７Ａ〜図７Ｃを参照して上で説明した音響減結合器２００のものと同様の絶縁破壊電圧を有するが、層数が少ないので、その製造は簡単である。
【００９１】
音響結合器４００において、圧電素子１２６及び１５６により提供される電気的絶縁は、音響結合器１３０及び１７０が電気的に絶縁性である必要はないことを意味する。ただし、音響結合器１３０及び１７０が電気的に絶縁性である音響結合器４００の実施形態は通常、音響結合器１３０及び１７０が導電性である実施形態に比べて、高い絶縁破壊電圧を有する。
【００９２】
図１１Ａ〜図１１Ｃに示す音響結合器４００の実施例において、図１０に示した入力２６、２８は、端子パッド２６、２８としてそれぞれ実施され、図１０に示した出力３２、３４は、端子パッド３２、３４としてそれぞれ実施される。端子パッド２６、２８、３２及び３４は、基板１０２の主表面上に配置される。図１０に示した電気回路４４０は、端子パッド２６からＦＢＡＲ１１０の電極１１２まで延びる電気トレース１３６と、端子パッド２８からＦＢＡＲ１１０の電極１１４まで延びる電気トレース１３８と、ＦＢＡＲ１６０の電極１６２から端子パッド３２まで延びる電気トレース１７６と、ＦＢＡＲ１６０の電極１６４から端子パッド３４まで延びる電気トレース１７８とから構成される。
【００９３】
さらに、電気回路４４０は、基板１０２の主表面に配置された接続パッド４３３及び４３５、並びに、接続パッド４３３及び４３５にそれぞれ電気的に接触するように配置された接続パッド４７３及び４７５を含む。電気トレース４３２は、ＦＢＡＲ１２０の電極１５４から、接続パッド４３３に電気的に接触している接続パッド４７３まで延びている。接続パッド４３３、４７３及び電気トレース４３２、４７２は合わせて、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２をＦＢＡＲ１５０の電極１５４に接続する導体４８２を構成する。電気トレース４３４は、ＦＢＡＲ１５０の電極１５２から接続パッド４３５まで延び、電気トレース４７４は、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２から接続パッド４３５まで延び、電気トレース４７４は、ＦＢＡＲ１２０の電極１５２から接続パッド４３５まで延び、電気トレース４７４は、ＦＢＡＲ１２０の電極１２４から接続パッド４３５に電気的に接触している接続パッド４７５まで延びている。接続パッド４３５、４７５及び電気トレース４３４、４７４は合わせて、ＦＢＡＲ１５０の電極１５２をＦＢＡＲ１２０の電極１２４に接続する導体４８４を構成する。
【００９４】
電気トレース１３６、１３８、１７６及び１７８は全て、基板１０２の主表面の一部の上に延び、電気トレース１３６及び１７６は、圧電層１１７の一部の下に延び、電気トレース１３８及び１７８は圧電層１１７の一部の上に延びる。さらに、電気トレース４３２及び４３４は、音響減結合層１３１、圧電層１１７の一部、及び、基板１０２の主表面の一部の上に延び、電気トレース４７２及び４７４は、圧電層１２６、音響減結合層１３１の一部、圧電層１１７の一部、及び、基板１０２の主表面の一部の上に延びる。
【００９５】
音響ガルバニック・アイソレータ１０の実施形態によっては、変調器１４は、絶縁音響結合器１６と同じ基板１０２内、又は、同じ基板１０２上に形成される場合がある。そのような実施形態では通常、端子パッド２６及び２８が省略され、電気トレース１３３及び１７３は、変調器１４の一部を構成する対応するトレースに接続されるように延長される。更に、又は、代替として、復調器１８は、絶縁音響結合器１６と同じ基板１０２内、又は、同じ基板１０２上に形成される場合がある。そのような実施形態では通常、端子パッド３２及び３４が省略され、電気トレース１３５及び１７５は、復調器１８の一部を構成する対応するトレースに接続されるように延長される。
【００９６】
ウェーハスケールの製造によって、音響ガルバニック・アイソレータ１０と同様の数千もの音響ガルバニック・アイソレータが、一度に製造される。そのようなウェーハスケールの製造によれば、音響ガルバニック・アイソレータを安価に製造することが可能になる。ウェーハは、ウェーハ上に作成される各音響ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器１６の位置にキャビティを画定するために、選択的にエッチングされる。これらのキャビティには犠牲材料が充填され、ウェーハの表面は平坦化される。ウェーハ上に作成される各音響ガルバニック・アイソレータの局部発振器１２、変調器１４及び復調器１８は、従来の半導体製造技術を使用して、ウェーハの表面に、又は、表面上に作成される。次に、作成された回路要素は、保護層で覆われる。保護層の例示的材料としては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素がある。
【００９７】
次に、次の層を順番に蒸着し、パターニングすることによって、図４Ａ〜図４Ｃを参照して上で説明した音響結合器１００、及び、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照して上で説明した音響結合器４００の実施形態が作成される。すなわち、電極材料の第１の層、圧電材料の第１の層、電極材料の第２の層、音響減結合材料の層、又は、音響ブラッグ構造の層、電極材料の第３の層、圧電材料の第２の層、及び、電極材料の第４の層である。これらの層は、各音響結合器のＤＳＢＡＲ及び電気回路を構成する。この電気回路は、ＤＳＢＡＲを直列に接続するとともに、変調器１４及び復調器１８の露出された接続点に接続する。
【００９８】
図７Ａ〜図７Ｃを参照して上で説明した音響結合器２００の実施形態は、今説明したものと同様にして作成される。ただし、絶縁材料の四分の一波長層２１７、及び、音響減結合器２３０及び２７０を構成する１以上の層は、音響減結合器１３０及び１７０を構成する１以上の層が蒸着され、パターニングされた後で蒸着され、パターニングされる点が異なる。図９Ａ〜図９Ｃを参照して上で説明した音響結合器３００の実施形態も、今説明したものと同様にして作成される。ただし、絶縁材料の第１の半波長層３１７は、絶縁材料の半波長層３２７が蒸着され、パターニングされる前であって、音響減結合器１３０及び１７０を構成する１以上の層が蒸着され、パターニングされた後で作成される点が異なる。
【００９９】
音響結合器を作成した後、犠牲材料を除去すると、各キャビティの上に浮かぶ直列接続されたＤＳＢＡＲがそれぞれ残る。１１９で示す穴は、犠牲層を除去するための犠牲層までのアクセス経路として機能する。次に、作成された回路要素から保護材料を除去する。次に、基板を個々の音響ガルバニック・アイソレータに分離する。各音響ガルバニック・アイソレータは、音響ガルバニック・アイソレータ１０と同様のものである。ＤＳＢＡＲの製造に使用可能なプロセスの例の詳細については、本開示と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願公開第２００５００９３６５４号に記載されている。このプロセスは、上で説明した音響ガルバニック・アイソレータのＤＳＢＡＲの製造に適している。
【０１００】
あるいは、音響結合器１００、２００、３００または４００は、局部発振器１２、変調器１４、及び、復調器１８が作成されるウェーハとは違うウェーハ上に作成してもよい。その場合、音響ガルバニック・アイソレータは、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許出願公開２００５０９３６５９号の図８Ａ〜図８Ｅを参照し、ウェーハボンディングプロセスを使用して各ウェーハを接合し、John D. Larson III他によって記載されたものと同様の構造を形成することによって作成される。
【０１０１】
さらに別の代替として、局部発振器１２、変調器１４、及び、音響結合器１００、２００、３００又は４００は１つのウェーハ上に作成され、対応する復調器１８が、別のウェーハ上に作成される場合がある。次に、今説明したようにしてウェーハを１つに接合し、音響ガルバニック・アイソレータが形成される。あるいは、局部発振器１２と変調器１４は１つのウェーハ上に作成され、音響結合器１００、２００、３００又は４００及び復調器１８は、別のウェーハ上に作成される場合がある。次に、いま説明したようにしてウェーハを接合し、音響ガルバニック・アイソレータを形成する。
【０１０２】
音響ガルバニック・アイソレータが、入力端子２２、２４と出力端子３６、３８の間において大きな絶縁破壊電圧を有する仕様である用途での使用に適した代替として、局部発振器１２の一例及び変調器１４の一例をそれぞれ含む複数の入力回路、並びに、復調器１８の一例をそれぞれ含む複数の出力回路が、半導体ウェーハ内に、又は、半導体ウェーハ上に形成される。次に、このウェーハを、各半導体チップが単一の入力回路または単一の出力回路を実施する個々の半導体チップに分離する。各ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器１６を作成し、セラミックウェーハの主表面上に配置された導電性トレースを有するセラミックウェーハに形成されたキャビティの上に浮かべる。ウェーハ上に形成された各音響ガルバニック・アイソレータについて、入力回路を実施する１つの半導体チップ、及び、出力回路を実施する１つの半導体チップが、導電性トレースに電気的に接触しているセラミックウェーハ上に取り付けられる。例えば、これらの半導体チップは、ボールボンディング、又は、フリップチップボンディングによって、セラミックウェーハ上に取り付けられる場合がある。半導体チップが取り付けられたセラミックウェーハは、上記の２つのウェーハ構造において使用してもよい。
【０１０３】
約１．９ＧＨｚのキャリア周波数で動作する音響ガルバニック・アイソレータ１０の一実施形態において、電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２及び１６４の材料はモリブデンである。各電極の厚さは約３００ｎｍであり、面積約１２０００平方マイクロメートルの五角形の形を有する。面積を変更すれば、異なる特性インピーダンスが得られる。本願と同じ譲受人に譲渡され、本明細書に援用される米国特許第６，２１５，３７５号にLarson III他が記載しているように、電極の非並列側は、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０における横モードを最小限に抑える。電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２及び１６４が画定される金属層は、ウェーハの主表面に対して平行な各面においてパターニングされ、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２と１１４が同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有し、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２と１２４が同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有し、ＦＢＡＲ１５０の電極１５２と１５４が同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有し、ＦＢＡＲ１６０の電極１６２と１６４が同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有するようにパターニングされる。通常、電極１１４と１２２は更に、同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有し、電極１５２と１６４は更に、同じ形、サイズ、向き、及び、位置を有する。代替電極としては、タングステン、ニオビウム、及び、チタンなどがある。これらの電極は、多層構造を有する場合がある。
【０１０４】
圧電素子１１６、１２６、１５６及び１６６の材料は、窒化アルミニウムである。各圧電素子の厚さは、約１．４μｍである。代替圧電材料としては、酸化亜鉛、硫化カドミウム、並びに、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、及び、チタン酸バリウム等のペロブスカイト型強誘電体材料のような分極強誘電体材料がある。
【０１０５】
音響減結合器１３０及び１７０のとりうる構造及び材料については、図５Ａ及び図５Ｂを参照して上で述べた通りである。
【０１０６】
図７Ａ〜図７Ｃを参照して上で説明した音響結合器２００の実施形態において、四分の一波長音響共振絶縁体２１６及び２５６の材料は、窒化アルミニウムである。各音響共振絶縁体の厚さは約１．４μｍである。代替材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び、非圧電窒化アルミニウムがある。音響減結合器２３０及び２７０のとりうる構造及び材料については、図５Ａ及び図５Ｂを参照して上で述べた通りである。
【０１０７】
図９Ａ〜図９Ｃを参照して上で説明した音響結合器３００の実施形態において、音響共振絶縁体３１６、３２６、３５６及び３６６の材料は窒化アルミニウムである。各音響共振絶縁体の厚さは約２．８μｍである。代替材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、及び、非圧電窒化アルミニウムがある。
【０１０８】
音響ガルバニック・アイソレータ１０の上記の例において、入力２６、２８はＤＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲ１１０に接続され、出力３２、３４はＤＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲ１６０に接続されている。他の実施形態として、入力２６、２８は、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８のうちの一方のＦＢＡＲのうちのどちらかに接続され、出力３２、３４は、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８のうちの他方のＦＢＡＲのうちのどちらかに接続される場合もある。
【０１０９】
図１２は、情報信号をガルバニック絶縁するための、本発明の一実施形態による方法１９０の一例を示すフロー図である。ブロック１９２において、絶縁音響結合器を用意する。この絶縁音響結合器は、直列接続された減結合積層型音響共振器を含む。ブロック１９３において、キャリア信号を供給する。ブロック１９４において、キャリア信号を情報信号で変調し、変調電気信号を生成する。ブロック１９５において、絶縁音響結合器を通してその変調電気信号を音響結合する。ブロック１９６において、音響結合器を通して音響結合された変調電気信号から情報信号を復元する。
【０１１０】
本明細書は、例示的実施形態を使用して詳細に記載されている。しかしながら、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明が、記載した実施形態に厳密に制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の一実施形態による音響ガルバニック・アイソレータを示すブロック図である。
【図２】図１に示した音響ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器として使用可能な、本発明の第１の実施形態による音響結合器の一例を示す概略図である。
【図３】図２に示した音響結合器の実施例の周波数応答特性（実線）、及び、その構成要素である減結合積層型バルク音響共振器の周波数応答特性を示すグラフである。
【図４Ａ】図２に示した音響結合器の一実施例を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａにおいてライン４Ｂ−４Ｂに沿って切断して見たときの断面図である。
【図４Ｃ】図４Ａにおいてライン４Ｃ−４Ｃに沿って切断して見たときの断面図である。
【図５Ａ】音響減結合器の第１の実施形態を示す、図４Ｂにおけるマーク部分５Ａの拡大図である。
【図５Ｂ】音響減結合器の第２の実施形態を示す、図４Ｂにおけるマーク部分５Ａの拡大図である。
【図６】図１の音響ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器として使用可能な、本発明の第２の実施形態による音響結合器の一例を示す概略図である。
【図７Ａ】図６に示した音響結合器の一実施例を示す平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａにおいてライン７Ｂ−７Ｂに沿って切断して見たときの断面図である。
【図７Ｃ】図７Ａにおいてライン７Ｃ−７Ｃに沿って切断して見たときの断面図である。
【図８】図１の音響ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器として使用可能な、本発明の第３の実施形態による音響結合器の一例を示す概略図である。
【図９Ａ】図８に示した音響結合器の一実施例を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ａにおいてライン９Ｂ−９Ｂに沿って切断して見たときの断面図である。
【図９Ｃ】図９Ａにおいてライン９Ｃ−９Ｃに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１０】図１の音響ガルバニック・アイソレータの絶縁音響結合器として使用可能な、本発明の第４の実施形態による音響結合器の一例を示す概略図である。
【図１１Ａ】図１０に示した音響結合器の一実施例を示す平面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａにおいてライン１１Ｂ−１１Ｂに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａにおいてライン１１Ｃ−１１Ｃに沿って切断して見たときの断面図である。
【図１２】情報信号をガルバニック絶縁するための、本発明の一実施形態による方法の一例を示すフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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